風電葉片玻璃纖維復合材料相控陣超聲檢測

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隨著我國對電力需求的不斷增長，同時對環(huán)境保護重視程度的提高，清潔電力機組的裝機量越來越大。其中，風力發(fā)電在我國發(fā)展速度尤其迅猛，中國已經(jīng)成為全球風力發(fā)電規(guī)模最大、增長最快的市場。風電葉片作為風力發(fā)電機組的主要部件，其需要在高空全天候不間斷地運作，承擔著主要的風力載荷，這對葉片的制造質(zhì)量和服役中的質(zhì)量控制都是極大的挑戰(zhàn)[1-2]。

在風力發(fā)電機興起的100多年歷史里，風電葉片有木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等幾種類型。隨著近年來聯(lián)網(wǎng)型風力發(fā)電機的出現(xiàn)，風力發(fā)電進入高速發(fā)展時期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風力發(fā)電機上使用時，某些性能已達不到當下葉片的發(fā)展要求，于是具有高比強度的復合材料葉片得到了快速發(fā)展?，F(xiàn)在，幾乎所有的商業(yè)級葉片主體均采用復合材料制造，風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。

超聲檢測技術包括相控陣超聲技術，是目前檢測和評估復合材料質(zhì)量的常用方法，不僅可以在風電葉片制造過程中進行檢測，而且可以在風電葉片服役過程中評估葉片的質(zhì)量[3-5]。

1 風電葉片的結(jié)構(gòu)及常見缺欠

風力葉片是復合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強梁等3部分組成，復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。復合材料葉片最初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系，直到現(xiàn)在其仍是大部分葉片的制造材料。隨著葉片長度的不斷增大，自身重量的不斷增加，這種體系在某些場合已不能滿足要求，于是碳纖維增強結(jié)構(gòu)逐漸得到應用。

對于玻璃纖維復合材料葉片，一般采用開模工藝，尤其手糊黏接方式較多，其本身在加工過程中會產(chǎn)生氣孔、干纖、褶皺、纖維斷裂以及夾雜等缺欠，在與梁的合模過程中還會產(chǎn)生缺膠、脫黏等缺欠。風電葉片結(jié)構(gòu)典型缺欠示意如圖1所示。

圖1 風電葉片結(jié)構(gòu)典型缺欠示意

2 相控陣超聲檢測簡介

相控陣超聲檢測技術是近10年發(fā)展起來的新的超聲技術，可以彌補常規(guī)超聲技術的某些不足。相控陣超聲技術可以實現(xiàn)理想的聲束聚焦，采用同樣的脈沖電壓驅(qū)動每個陣列單元，聚焦區(qū)域的實際聲場強度遠大于常規(guī)的超聲波技術，從而可以對相同聲衰減特性的材料使用較高的檢測頻率；其無需聲透鏡便可使聲束聚焦，可以靈活而有效地控制聲束和聚焦點的位置，實現(xiàn)對復雜結(jié)構(gòu)件缺陷的精確檢測，并可通過優(yōu)化控制焦點尺寸和聲束方向，使分辨率、信噪比和缺陷檢出率等性能得到提高；在一定檢測范圍內(nèi)，該技術不需要移動探頭，因而通常不需要復雜的掃查裝置，不需要更換探頭就可實現(xiàn)整個體積或所關心區(qū)域的多角度、多方向掃查。

對于風電葉片結(jié)構(gòu)，可以使用相控陣超聲的0°線性掃查，實現(xiàn)較大區(qū)域的一次掃查，根據(jù)葉片厚度及檢測靈敏度的需要具體設置激發(fā)孔徑和聚焦深度。配合單線或者二維掃查器，可以得到被檢件的C掃描檢測圖。這種簡便的掃查機構(gòu)，可以作為風電葉片制造過程中的檢測手段，也可作為一種在役檢測方法。

筆者單位針對風電葉片這一特殊的復合材料結(jié)構(gòu)研制了一款專用的低頻相控陣探頭，探頭外觀如圖2所示。其特點為：針對不同的厚度，可以選擇頻率(0.5 MHz和1 MHz)，具有64個晶片。整個探頭陣列的長度為96 mm，寬度為22 mm。使用塑料外殼以減輕探頭重量。其可以通過楔塊安裝編碼器，使用該探頭配合OmniScan Mx2相控陣探傷儀就可以完成風電葉片的檢測。

圖2 OLympus風電葉片相控陣探頭外觀

手動掃查效率較低，穩(wěn)定性也相對不足，楔塊上也加工了夾持孔，可以將探頭安裝在掃查器或者機械臂上，實現(xiàn)半自動或者自動檢測。

3 風電葉片典型缺陷的相控陣檢測

如前所述，目前大部分葉片都是采用外殼加支撐梁的結(jié)構(gòu)，所以從相控陣檢測的C掃圖(見圖3)中可以清楚看出支撐梁的位置，圖中顏色反映的是閘門內(nèi)反射波的幅度大小，藍色區(qū)域是反射波波幅較低的區(qū)域，說明在該區(qū)域大部分超聲能量都已透射，為支撐梁的膠接區(qū)域；橙色區(qū)域為底波反射很強的區(qū)域，說明底面聲阻抗變化較大，為殼體部分的底面回波。故通過相控陣的C掃圖可以清楚地判斷殼體和支撐梁的膠接區(qū)域的分布，也可以通過測量交接區(qū)域的寬度來判斷是否存在缺膠或者溢膠等問題。

圖3 無缺陷風電葉片相控陣C掃圖

圖4為支撐梁脫黏缺陷的典型相控陣圖像，從C掃圖下部可以看出，在膠接區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的強底面反射，從A掃視圖和S掃視圖中明顯看出在殼體厚度位置有明顯的底波反射，說明此處殼體界面的聲阻抗變化明顯大于正常膠接區(qū)域的，故可以判斷該處為脫黏缺陷。

圖4 風電葉片脫粘缺陷C掃圖

風電葉片鋪層面內(nèi)褶皺也是在葉片加工制造時常見的一類缺陷，會對葉片的強度產(chǎn)生一定影響。圖5所示為葉片殼體玻璃纖維復合材料相控陣圖像，由于褶皺缺陷出現(xiàn)的深度不確定，在C掃視圖中觀察不明顯，因此圖中給出了B掃和S掃視圖，通過B掃和S掃視圖可以清晰地看出褶皺缺陷出現(xiàn)的位置和深度，也可以方便地測量出褶皺的長度，便于檢測人員判定缺陷。

圖5 風電葉片褶皺缺陷C掃圖

從前面的分析可以看出，相控陣超聲檢測的一個優(yōu)勢就是可以綜合利用多個視圖對信號進行觀察和測量，更易于對缺陷的定性和定量。圖6為葉片干纖缺陷的檢測結(jié)果，從C掃圖里可以看出內(nèi)部有明顯的回波，B掃和S掃中可以看到干纖區(qū)域的不規(guī)則回波。

圖6 風電葉片干纖缺陷C掃圖

纖維斷裂在葉片制造和服役中都可能產(chǎn)生，風電葉片玻纖斷裂缺陷C掃圖如圖7所示，B掃和S掃中有明顯的玻纖斷裂信號。

圖7 風電葉片玻纖斷裂缺陷C掃圖

圖8為氣泡缺陷的C掃圖，可以從幾個視圖中都觀察到氣泡的回波信號。

圖8 風電葉片氣泡缺陷C掃圖

從上面的檢測結(jié)果可以看出，對于相控陣超聲方法可以有效地檢測出常見的風電葉片缺陷，配合多視圖的觀察測量，對于缺陷的性質(zhì)可以得到較全面的認識。

4 結(jié)語

選擇合適的檢測方法有助于提高葉片的使用壽命，降低發(fā)電成本。介紹了相控陣超聲檢測葉片的方法和設備，并分析了常見缺陷的相控陣超聲圖像信號，從而可以看出相控陣超聲是檢測葉片殼體內(nèi)部和殼-梁膠接質(zhì)量的有效方法，配合合適的掃查機構(gòu)，可以有效地實現(xiàn)葉片制造過程和在役過程的無損檢測。